(57)【要約】【課題】脱硫時の電力消費が外部の電力負荷へ与える影響を低減することができる脱硫システム及び燃料電池システムを提供すること。【解決手段】脱硫システム１０は、商用電源９９から電力を受電して発熱するヒータ１３を有し、導入した灯油ｋをヒータ１３で加熱し脱硫して脱硫済灯油ｋ１を生成する脱硫器１１と、脱硫済灯油ｋ１を蓄える脱硫済灯油タンク１５と、商用電源９９の電力負荷が小さい所定の時間帯（例えば深夜料金が適用される時間帯）に脱硫を行うように脱硫器１１を制御する制御装置８１とを備える。燃料電池システム１は、脱硫システム１０と、脱硫済灯油ｋ１を改質して水素を主成分とする改質ガスｇを生成する改質装置２０と、改質ガスｇと酸化剤ガスｔとを導入して発電する燃料電池３０とを備える。【選択図】図１
2010105842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電源から電力を受電して発熱するヒータを有し、導入した灯油を前記ヒータで加熱し脱硫して脱硫済灯油を生成する脱硫器と；
前記脱硫済灯油を蓄える脱硫済灯油タンクと；
前記商用電源の電力負荷が小さい所定の時間帯に前記脱硫を行うように前記脱硫器を制御する制御装置とを備える；
脱硫システム。
【請求項２】
請求項１に記載の脱硫システムと；
前記脱硫済灯油を導入し改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する改質装置と；
前記改質ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとを導入して発電する燃料電池とを備える；
燃料電池システム。
【請求項３】
前記脱硫済灯油タンクが、少なくとも、前記所定の時間帯に相当する時間にわたって前記燃料電池を定格で運転したときに消費される前記脱硫済灯油の量を有効容量とするように構成された；
請求項２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は脱硫システム及び燃料電池システムに関し、特に水素含有ガス生成の原料である灯油から硫黄分を除去する脱硫システム及びこれを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年普及が期待されている燃料電池は、水素と酸素とを導入してこれらの電気化学的反応により発電する装置である。燃料電池は発電に水素を必要とするが、水素自体を供給するインフラが普及していないことから入手が比較的困難であるため、都市ガスや灯油等の炭化水素系の原料を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器を燃料電池に併設した燃料電池システムを構築することが多い。炭化水素系の原料の１つである灯油は、家庭用暖房機の燃料として広く使用されていることからも分かるように、保管及び取り扱いが容易なため、家庭用の燃料電池システムの原料として特に適している。灯油は、天然ガス等と比較して含有硫黄分が多いため、燃料電池の電極触媒が硫黄被毒を受けることを回避するためにヒータで加熱する脱硫処理が行われる（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−３１０２５号公報（段落０００５、図４等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、含有硫黄分が多い灯油を、例えば燃料電池の電極触媒の硫黄被毒を回避できる程度に脱硫するには、高温で処理する必要があり、ヒータの消費電力が嵩むこととなる。電力負荷が大きく燃料電池の出力を大きくするときは、消費する原料、すなわち脱硫する灯油量も多くなるため、脱硫時のヒータの消費電力がさらに大きくなり、燃料電池で発電した電力で脱硫用のヒータを発熱させている場合は燃料電池で発電した電力のうち外部の電力負荷に使うことができる電力が少なくなってしまい、商用電源で脱硫用のヒータを発熱させている場合は商用電源の負荷が大きくなってしまう。
【０００４】
本発明は上述の課題に鑑み、脱硫時の電力消費が外部の電力負荷へ与える影響を低減することができる脱硫システム及び燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る脱硫システムは、例えば図１に示すように、商用電源９９から電力を受電して発熱するヒータ１３を有し、導入した灯油ｋをヒータ１３で加熱し脱硫して脱硫済灯油ｋ１を生成する脱硫器１１と；脱硫済灯油ｋ１を蓄える脱硫済灯油タンク１５と；商用電源９９の電力負荷が小さい所定の時間帯に脱硫を行うように脱硫器１１を制御する制御装置８１とを備える。ここで「商用電源の電力負荷が小さい所定の時間帯」は、統計的に特定することができ、典型的には、電力会社が設定する料金が日中よりも安価な深夜料金が適用される時間帯と一致する。
【０００６】
このように構成すると、脱硫済灯油を蓄える脱硫済灯油タンクを備え、商用電源の電力負荷が小さい所定の時間帯に脱硫を行うので、商用電源の電力負荷の平準化に寄与することができ、脱硫時のヒータの電力消費が外部の電力負荷へ与える影響を低減することができる。また、商用電源の電力負荷が小さい時間帯は電気料金が比較的安価な場合が多いため、脱硫システムのランニングコストを抑制することも可能になる。
【０００７】
また、本発明の第２の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様に係る脱硫システム１０と；脱硫済灯油ｋ１を導入し改質して水素を主成分とする改質ガスｇを生成する改質装置２０と；改質ガスｇと酸素を含有する酸化剤ガスｔとを導入して発電する燃料電池３０とを備える。
【０００８】
このように構成すると、脱硫済灯油を蓄える脱硫済灯油タンクを有する脱硫システムを備えるので、外部の電力負荷が比較的大きいときに燃料電池で発電した電力が脱硫のために用いられることを抑制することができ、燃料電池で発電した電力を有効利用することができる。
【０００９】
また、本発明の第３の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１を参照して示すと、上記本発明の第２の態様に係る燃料電池システム１において、脱硫済灯油タンク１５が、少なくとも、前記所定の時間帯に相当する時間にわたって燃料電池３０を定格で運転したときに消費される脱硫済灯油ｋ１の量を有効容量とするように構成されている。
【００１０】
このように構成すると、脱硫器の大きさを過大にすることなく適正にしつつ、所定の時間帯以外の時間帯に燃料電池を運転する場合に、所定の時間帯に相当する時間にわたって燃料電池を定格で運転したときに消費される脱硫済灯油の量が消費されるまでは脱硫器を運転しなくて済み、脱硫時のヒータの電力消費が外部の電力負荷に及ぼす影響を低減することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、脱硫済灯油を蓄える脱硫済灯油タンクを備え、商用電源の電力負荷が小さい所定の時間帯に脱硫を行うので、商用電源の電力負荷の平準化に寄与することができ、脱硫時のヒータの電力消費が外部の電力負荷へ与える影響を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１３】
図１を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１を説明する。図１は、燃料電池システム１の模式的系統図である。燃料電池システム１は、灯油ｋから硫黄分を除去して蓄える本発明の実施の形態に係る脱硫システム１０と、脱硫済灯油ｋ１を改質する改質装置２０と、燃料電池３０と、燃料電池システム１を制御する制御装置８２とを備えている。燃料電池システム１を説明するのに先立って、脱硫システム１０について説明する。
【００１４】
脱硫システム１０は、灯油ｋから硫黄分を除去した脱硫済灯油ｋ１を生成する脱硫器１１と、脱硫済灯油ｋ１を蓄える脱硫済灯油タンク１５と、脱硫システム１０を制御する制御装置８１とを備えている。
【００１５】
脱硫器１１は、灯油ｋを加熱する電気ヒータ１３と、灯油ｋの脱硫を促進させる脱硫触媒（不図示）とを有している。電気ヒータ１３は、商用電源９９から電力を受電して発熱するヒータである。それゆえ、電気ヒータ１３は、商用電源９９と商用電源ケーブル６９で接続されており、商用電源９９から電力の供給を受けることができるように構成されている。商用電源９９は、一般に、１日のうちで負荷が少ない典型的には深夜の時間帯に料金が安くなる深夜料金が適用される場合が多く、本実施の形態においても深夜料金が適用される時間帯を所定の時間帯とする。電気ヒータ１３は、脱硫済灯油ｋ１が改質装置２０で改質ガスｇに改質されて燃料電池３０に供給されたときに燃料電池３０の電極触媒（不図示）を被毒させない程度に灯油ｋ中の硫黄分を除去することができる温度に灯油ｋを加熱することができるように構成されている。電気ヒータ１３は、制御装置８１からの信号により、通電の有無、すなわち発熱の有無が制御されるように構成されている。脱硫触媒（不図示）は、電気ヒータ１３によって加熱されるように、電気ヒータ１３を包み込むように充填されている。脱硫触媒（不図示）は、燃料電池３０が定格で運転されたときに燃料電池３０に供給される改質ガスｇの流量に相当する流量の灯油ｋを脱硫処理できる容量が充填されている。換言すれば、適正な脱硫速度（単位時間当たりに脱硫処理できる流量）が、燃料電池３０が定格で運転されたときに燃料電池３０に供給される改質ガスｇの流量に相当する灯油ｋの流量と等しくなるように、脱硫触媒（不図示）が充填されている。脱硫器１１の大きさは、電気ヒータ１３の大きさ及び充填される脱硫触媒（不図示）の容量に依存するところ、上記のような脱硫触媒（不図示）の充填量とすることで、脱硫器１１の大型化を抑制している。燃料電池システム１の小型化を図る観点から、脱硫器１１はできるだけ小さい方が好ましい。脱硫器１１は、電気ヒータ１３による加熱で灯油ｋを脱硫するので、燃料（例えば灯油ｋ自体）の燃焼による加熱で脱硫する場合に比べて、装置を簡素化でき、温度制御性に優れて脱硫触媒（不図示）の過熱による損傷を低減することができる。
【００１６】
脱硫済灯油タンク１５は、上述のように、脱硫器１１で灯油ｋが脱硫処理されて生成された脱硫済灯油ｋ１を蓄えるタンクである。脱硫済灯油タンク１５は、所定の時間帯に相当する時間にわたって燃料電池３０を定格運転させたとき、換言すれば所定の時間帯に燃料電池３０を定格運転させたと仮定したときに、消費される改質ガスｇに相当する脱硫済灯油ｋ１を、有効容量として蓄えることができる大きさに形成されている。例えば所定の時間帯が８時間の場合、燃料電池３０を８時間定格運転させたときに消費される改質ガスｇに相当する脱硫済灯油ｋ１を有効容量として蓄えることができる大きさである。脱硫済灯油タンク１５が少なくともこの大きさに形成されていることで、所定の時間帯以外の時間帯に燃料電池３０を運転する場合に、所定の時間帯に相当する時間にわたって燃料電池３０を定格で運転したときに消費される脱硫済灯油ｋ１の量が消費されるまでは脱硫器１１を運転しなくて済む。脱硫済灯油タンク１５には、蓄えられている脱硫済灯油ｋ１の液位を検出する液位検出器１５ｓが設けられている。液位検出器１５ｓは、下方から上方に向けて設定された、低液位、脱硫済灯油補充開始液位、脱硫済灯油補充停止液位、高液位、をそれぞれ検出することができるように構成されている。低液位は、脱硫システム１０の故障がないときは検出されない液位であり、典型的には低液位が検出されると脱硫システム１０を停止して警報を出す。脱硫済灯油補充開始液位は、所定の時間帯以外の時間帯において検出したときに脱硫済灯油ｋ１を補充するために灯油ｋの脱硫を開始する液位である。脱硫済灯油補充停止液位は、灯油ｋの脱硫を停止する液位である。高液位は、脱硫済灯油ｋ１が脱硫済灯油タンク１５から溢液するのを防ぐために、典型的には高液位が検出されると脱硫システム１０を停止して警報を出す。本実施の形態では、脱硫済灯油補充開始液位と脱硫済灯油補充停止液位との間の脱硫済灯油タンク１５内の容積を有効容量としている。液位検出器１５ｓは、検出した液位を信号として制御装置８１に送信することができるように構成されている。
【００１７】
脱硫器１１で脱硫される前の灯油ｋは、脱硫前灯油タンク１６に貯留されている。脱硫前灯油タンク１６には、貯留されている脱硫前の灯油ｋを、脱硫器１１に供給する脱硫用ライン４１と、改質装置２０の燃焼部２３に供給する燃焼用ライン４４とが接続されている。脱硫用ライン４１及び燃焼用ライン４４は、共に配管で構成されている。脱硫用ライン４１の、脱硫前灯油タンク１６とは反対側の端部は、脱硫器１１に接続されている。脱硫用ライン４１には、灯油ｋを脱硫器１１に向けて送液する脱硫用ポンプ１７が配設されている。脱硫用ポンプ１７は、制御装置８１からの信号を受信して起動及び停止を行い、起動中は一定の回転速度（典型的には最も効率のよい回転速度）で運転されるように構成されている。このように構成されていることで、適正な脱硫速度を超える流量の灯油ｋが脱硫器１１に導入されることを回避しつつ（このことは脱硫済灯油ｋ１の脱硫が不十分になることを回避することにつながる）、ポンプの高効率運転を可能にしている。脱硫器１１と脱硫済灯油タンク１５とは、脱硫済灯油ｋ１を脱硫器１１から脱硫済灯油タンク１５へと導く貯留ライン４２で接続されている。貯留ライン４２は、配管で構成されている。貯留ライン４２内の脱硫済灯油ｋ１は、脱硫用ポンプ１７の吐出圧で流れるようになっている。脱硫済灯油タンク１５にはまた、脱硫済灯油ｋ１を改質装置２０の改質部２５に導く供給ライン４３が接続されている。供給ライン４３は、配管で構成されている。
【００１８】
制御装置８１は、電気ヒータ１３と信号ケーブルで接続されており、電気ヒータ１３の発熱の有無を制御することができるように構成されている。また、制御装置８１は、液位検出器１５ｓと信号ケーブルで接続されており、液位検出器１５ｓから液位信号を受信することができるように構成されている。また、制御装置８１は、脱硫用ポンプ１７と信号ケーブルで接続されており、脱硫用ポンプ１７の発停を制御することができるように構成されている。また、制御装置８１は、時計を内蔵しており、所定の時間帯か否かを認識することができるように構成されている。制御装置８１は、改質装置２０及び燃料電池３０を制御する制御装置８２と通信可能に接続されている。図１では、制御装置８１と制御装置８２とが分離して存在するように示されているが、これは説明の便宜上概念を分けているためであって、制御装置８１と制御装置８２とが一体に構成されていてもよい。
【００１９】
次に図２のフローチャートをも参照して脱硫システム１０の作用を説明する。脱硫システム１０は、制御装置８１が内蔵の時計で上述の所定の時間帯か否かを判断している（ＳＴ１）。所定の時間帯である場合は、液位検出器１５ｓで検出された脱硫済灯油タンク１５内の脱硫済灯油ｋ１の液位が脱硫済灯油補充停止液位以上か否かを判断する（ＳＴ２）。脱硫済灯油ｋ１の液位が脱硫済灯油補充停止液位以上である場合は、再び所定の時間帯か否かを判断する工程（ＳＴ１）に戻る。所定の時間帯か否かを判断する工程（ＳＴ１）において所定の時間帯でない場合は、液位検出器１５ｓで検出された脱硫済灯油タンク１５内の脱硫済灯油ｋ１の液位が脱硫済灯油補充開始液位以下か否かを判断する（ＳＴ３）。脱硫済灯油ｋ１の液位が脱硫済灯油補充開始液位以下でない場合は、再び所定の時間帯か否かを判断する工程（ＳＴ１）に戻る。
【００２０】
脱硫済灯油タンク１５内の脱硫済灯油ｋ１の液位が脱硫済灯油補充停止液位以上か否かを判断する工程（ＳＴ２）において脱硫済灯油補充停止液位以上でない場合、及び、脱硫済灯油タンク１５内の脱硫済灯油ｋ１の液位が脱硫済灯油補充開始液位以下か否かを判断する工程（ＳＴ３）において脱硫済灯油補充開始液位以下の場合は、制御装置８１は、脱硫用ポンプ１７を起動すると共に電気ヒータ１３を起動する（ＳＴ４）。脱硫用ポンプ１７及び電気ヒータ１３は、典型的には商用電源９９により起動するが、燃料電池３０が発電しているときは燃料電池３０で発生した電力で起動するように構成されていてもよい。脱硫用ポンプ１７の起動により、脱硫前灯油タンク１６内の灯油ｋが脱硫済灯油タンク１５に向けて流動する。脱硫前灯油タンク１６から導出された灯油ｋは、脱硫器１１内に流入し、電気ヒータ１３により加熱され、後に改質されて燃料電池３０に供給されたときに燃料電池３０の電極触媒に対して被毒による影響を与えない程度に脱硫された脱硫済灯油ｋ１となる。脱硫済灯油ｋ１は、脱硫用ポンプ１７の圧力で送液されて脱硫済灯油タンク１５に流入する。
【００２１】
灯油ｋの脱硫が行われている間、制御装置８１は、液位検出器１５ｓで検出された脱硫済灯油タンク１５内の脱硫済灯油ｋ１の液位が脱硫済灯油補充停止液位以上か否かを判断する（ＳＴ５）。脱硫済灯油ｋ１の液位が脱硫済灯油補充停止液位以上でない場合は、再び脱硫済灯油タンク１５内の脱硫済灯油ｋ１の液位が脱硫済灯油補充停止液位以上か否かを判断する工程（ＳＴ５）に戻る。他方、脱硫済灯油ｋ１の液位が脱硫済灯油補充停止液位以上である場合は、制御装置８１は、脱硫用ポンプ１７を停止すると共に電気ヒータ１３を停止する（ＳＴ６）。その後は再び所定の時間帯か否かを判断する工程（ＳＴ１）に戻り、以降、上述のフローを繰り返す。
【００２２】
上述の脱硫システム１０は、所定の時間帯にできるだけ脱硫済灯油ｋ１を生成して貯留しておき、所定の時間帯以外の時間帯には脱硫済灯油タンク１５に貯留されている脱硫済灯油ｋ１を優先的に使用し、脱硫済灯油タンク１５内の脱硫済灯油ｋ１が不足する場合に脱硫用ポンプ１７及び電気ヒータ１３が起動して補充的に灯油ｋを脱硫するので、商用電源９９の電力負荷の平準化に寄与することができ、脱硫時の電気ヒータ１３の電力消費が燃料電池システム１外の電力負荷へ与える影響を低減することができる。また、脱硫システム１０のランニングコストを抑制することも可能になる。なお、所定の時間帯以外の時間帯に補充的に灯油ｋを脱硫する場合、脱硫用ポンプ１７は定流量運転をするので、燃料電池３０が定格で運転されたときに燃料電池３０に供給される改質ガスｇの流量に相当する流量の脱硫済灯油ｋ１が生成され、このとき、生成される脱硫済灯油ｋ１の流量が使用される流量よりも多い場合は余剰分が脱硫済灯油タンク１５に貯留される。
【００２３】
次に図１を参照して、上述の脱硫システム１０を含む燃料電池システム１について説明する。燃料電池システム１は、上述のように、脱硫システム１０と、改質装置２０と、燃料電池３０と、制御装置８２とを備えている。
【００２４】
改質装置２０は、脱硫済灯油ｋ１と改質用水ｓとを導入し水蒸気改質反応により水素に富む改質ガスｇを生成する改質部２５と、脱硫済灯油ｋ１の水蒸気改質反応に用いる改質熱を発生する燃焼部２３とを備えている。水素に富む改質ガスｇは、水素を主成分とするガスであり、水素を４０体積％以上、典型的には７０〜８０体積％程度含んだ、燃料電池３０に供給するガスである。改質ガスｇ中の水素濃度は８０体積％以上でもよく、すなわち燃料電池３０に供給したときに酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。改質部２５に導入する改質用水ｓは水蒸気であってもよい。改質装置２０は、汎用性に富んでいてインフラが整備されている灯油ｋを原料とすることにより、安定的で安価に改質ガスｇを生成することを可能にしている。
【００２５】
改質部２５には、改質触媒が充填されており、水蒸気改質反応を促進させるように構成されている。改質触媒としては、典型的には、ニッケル系改質触媒やルテニウム系改質触媒が用いられる。改質触媒の作用により脱硫済灯油ｋ１が改質され、生成された水素に富むガスに所定量以上の一酸化炭素が含まれていると、燃料電池３０の電極触媒が被毒する。そのため、改質部２５は、変成触媒が充填された変成部（不図示）、及び選択酸化触媒が充填された選択酸化部（不図示）を有し、改質装置２０から導出される改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度が約１０体積ｐｐｍ以下、好適には１体積ｐｐｍ程度となるようにするのが好ましい。変成触媒には、典型的には、鉄−クロム系変成触媒、銅−亜鉛系変成触媒、白金系変成触媒等が用いられる。選択酸化触媒には、典型的には、白金系選択酸化触媒、ルテニウム系選択酸化触媒、白金−ルテニウム系選択酸化触媒等が用いられる。なお、改質触媒における反応は吸熱反応であるが、変成触媒を有する変成部及び選択酸化触媒を有する選択酸化部における反応は発熱反応となる。
【００２６】
改質部２５には、脱硫済灯油ｋ１を導入するための供給ライン４３と、改質用水ｓを導入するための改質用水管２６とが接続されている。改質用水管２６は、典型的には、脱硫済灯油ｋ１が気化された後に改質用水ｓと混合するように、改質部２５内で供給ライン４３に接続されている。供給ライン４３には、脱硫済灯油ｋ１を改質部２５に向けて送液する供給ポンプ１８が配設されている。供給ポンプ１８は、制御装置８２からの信号を受信して起動及び停止を行うと共に、制御装置８２から受信する信号に応じて起動中の回転速度が変化するように構成されている。改質用水管２６には、改質用水ｓを改質部２５に供給する改質用水ポンプ２７が配設されている。また、改質部２５（改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる部位を有する場合は当該部位）には改質ガスｇを導出する改質ガス管５１が接続されている。さらに改質部２５には、温度を検出する温度検出器（不図示）が設けられている。
【００２７】
燃焼部２３は、改質部２５の改質触媒が設けられている位置に隣接するように、改質装置２０内に配設されており、改質熱を発生するための装置として、バーナー（不図示）が設けられている。燃焼部２３は、脱硫前灯油タンク１６に貯留されている灯油ｋ、並びに燃料電池３０から導出された水素を含むガスであるアノードオフガスｐ及び改質ガスｇを導入すると共に、燃焼用空気ａを導入し、バーナー（不図示）でこれらを燃焼させて水蒸気改質反応に用いる改質熱を得ることができるように構成されている。燃焼部２３は、燃料電池システム１の状態に応じて、灯油ｋ、アノードオフガスｐ、改質ガスｇのいずれか１種類あるいは２種類以上を導入して燃焼させる。アノードオフガスｐの成分は、典型的には、約半分が水素、残りの半分に二酸化炭素、窒素、原料あるいはその化合物が含まれている。
【００２８】
燃焼部２３には、アノードオフガスｐ及び改質ガスｇを導入可能なアノードオフガスラインとしてのアノードオフガス管５２と、灯油ｋを導入する燃焼用ライン４４と、燃焼用空気ａを導入する燃焼用空気ラインとしての燃焼空気管５８とが接続されている。脱硫前灯油タンク１６から改質装置２０の燃焼部２３へ灯油ｋを導く燃焼用ライン４４には、灯油ｋを燃焼部２３に向けて送液する燃焼用ポンプ１９が配設されている。燃焼用ポンプ１９は、制御装置８２からの信号を受信して起動及び停止を行うと共に、制御装置８２から受信する信号に応じて起動中の回転速度が変化するように構成されている。また、燃焼部２３には、バーナー（不図示）で燃焼した後の排ガスｅを排出する排ガス管５９が接続されている。
【００２９】
燃料電池３０は、典型的には固体高分子形燃料電池である。燃料電池３０は、改質ガスｇを導入するアノード３１と、酸化剤ガスｔを導入するカソード３２と、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部３３とを含んで構成されている。カソード３２に導入される酸化剤ガスｔは、典型的には空気である。燃料電池３０は、図では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜をアノード３１とカソード３２とで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部３３を介し複数枚積層して構成されている。燃料電池３０では、アノード３１に供給された改質ガスｇ中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過してカソード３２に移動すると共に電子がアノード３１とカソード３２とを結ぶ導線を通ってカソード３２に移動して、カソード３２に供給された酸化剤ガスｔ中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応における、電子が導線を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。取り出された直流電力は、パワーコンディショナ（不図示）内のインバータで交流電力に変換され、あるいは直流電力のまま、燃料電池システム１外の電力負荷及び燃料電池システム１内の電力負荷（電気ヒータ１３、各ポンプ１７〜１９、２７、空気ブロワ２９等）に送電される。
【００３０】
アノード３１と改質部２５とは、改質ガスラインとしての改質ガス管５１を介して接続されている。改質ガス管５１には改質ガスｇの流れを遮断可能な改質ガス弁６１が設けられている。また、アノード３１と燃焼部２３とは、アノードオフガス管５２を介して接続され、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスｐを燃焼部２３に導入することができるようになっている。アノードオフガス管５２には、アノードオフガスｐの流れを遮断可能なアノードオフガス弁６２が配設されている。また、改質ガス弁６１の上流側の改質ガス管５１と、アノードオフガス弁６２よりも下流のアノードオフガス管５２とが、バイパス管５３で接続されている。バイパス管５３にはバイパス弁６３が設けられている。改質ガス弁６１、アノードオフガス弁６２、バイパス弁６３は、典型的にはノーマルクローズの電磁弁である。
【００３１】
カソード３２には、酸化剤ガスｔを導入する酸化剤ガスラインとしての酸化剤ガス管５４と、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった酸素を含むカソードオフガスｑを排出するカソードオフガスラインとしてのカソードオフガス管５５とが接続されている。酸化剤ガス管５４からは、燃焼空気管５８が分岐している。燃焼空気管５８への分岐部よりも上流側の酸化剤ガス管５４には、カソード３２に酸化剤ガスｔを送ると共に燃焼部２３に燃焼用空気ａを送る酸化剤ガス供給手段としての空気ブロワ２９が配設されている。空気ブロワ２９は、典型的にはインバータにより回転数（ｒｐｍ）を調節することができ、これにより燃焼用空気ａや酸化剤ガスｔの流量を増減することができるように構成されている。燃焼空気管５８への分岐部よりも下流側の酸化剤ガス管５４には、酸化剤ガスｔの流れを遮断可能な酸化剤ガス遮断弁６４が設けられている。酸化剤ガス遮断弁６４は、典型的には電動二方弁である。また、酸化剤ガス管５４には、典型的には、酸化剤ガスｔを加湿する加湿器（不図示）が配設される。カソードオフガス管５５には、カソードオフガスｑの流れを遮断可能なカソードオフガス遮断弁６５が設けられている。カソードオフガス遮断弁６５は、典型的には電動二方弁である。
【００３２】
燃料電池３０の冷却部３３には、冷却水ｃを循環させる冷却水ライン４８が接続されている。冷却水ライン４８は配管で構成されている。冷却水ライン４８には、図１では省略されている熱交換器（不図示）が配設され、熱交換器（不図示）を通過して温度が下がった冷却水ｃが冷却水ポンプ（不図示）により燃料電池３０に導入されるように循環流路が形成されている。
【００３３】
制御装置８２は、燃料電池システム１の運転を制御する。燃料電池システム１の運転は、典型的には後述する作用の説明の手順に沿ったシーケンスに従って制御される。制御装置８２は、供給ポンプ１８、燃焼用ポンプ１９、改質用水ポンプ２７及び空気ブロワ２９に信号を送信して発停を制御すると共に、吐出される流体の流量を制御する。なお、供給ポンプ１８、燃焼用ポンプ１９、改質用水ポンプ２７、空気ブロワ２９に信号を送信することには、これらに送電する動力盤（不図示）に信号を送信することも含む。また、制御装置８２は、各弁６１〜６５とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、開閉信号を送信して弁の開閉動作をさせることができるように構成されている。また、制御装置８２は、改質部２５の温度を検出する温度検出器（不図示）と信号ケーブルで接続されており、温度信号を受信することができるように構成されている。また、制御装置８２は、脱硫システム１０を制御する制御装置８１と電気的に接続されており、両制御装置８１、８２間で相互に通信することができるように構成されている。なお、図１では両制御装置８１、８２が別体として示されているが、一体に構成されていてもよい。
【００３４】
引き続き図１を参照して、燃料電池システム１の作用を説明する。停止している燃料電池システム１の運転を開始するには、燃焼用ポンプ１９を起動して燃焼部２３に灯油ｋを供給すると共に空気ブロワ２９を起動して燃焼部２３に燃焼用空気ａを供給する。このとき、弁６１〜６５は閉となっている。燃焼部２３で灯油ｋが燃焼して改質熱が発生し、改質部２５が昇温したら、供給ポンプ１８を起動して脱硫済灯油ｋ１を改質部２５に導入する。改質部２５の温度は温度検出器（不図示）で検出する。改質部２５には改質用水ポンプ２７の起動により改質用水ｓも導入され、燃焼部２３から改質熱を得て脱硫済灯油ｋ１が水蒸気改質反応を起こし、改質ガスｇが生成される。改質装置２０では、上述のように改質ガスｇが生成されるが、運転開始当初は改質ガスｇの組成が安定していないため、改質ガス弁６１及びアノードオフガス弁６２を閉にし、バイパス弁６３を開にして、組成が安定していない改質ガスｇを燃料電池３０に供給せずに燃焼部２３に導いて燃焼させる。このとき、燃焼部２３に導入した組成が安定していない改質ガスｇを主として燃焼させ、不足分の灯油ｋを燃焼部２３に導入する。組成が安定していない改質ガスｇで足りる場合は燃焼用ポンプ１９を停止して燃焼部２３への灯油ｋの供給を停止する。
【００３５】
改質装置２０で生成される改質ガスｇの組成が安定し、改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度が所定の値まで低減するようになると、制御装置８２が改質ガス弁６１及びアノードオフガス弁６２を開に、バイパス弁６３を閉にして、改質ガスｇが燃料電池３０に導入されるようにする。これにより、燃料電池３０のアノード３１に改質ガスｇが導入される。他方、制御装置８２は、酸化剤ガス遮断弁６４及びカソードオフガス遮断弁６５を開にし、これによって燃料電池３０のカソード３２に酸化剤ガスｔが導入される。典型的には、アノード３１に供給される改質ガスｇの量が、水素の利用率が７０〜８０％程度、好ましくは７５％程度となるように、改質装置２０で改質ガスｇが生成される（これに合わせて脱硫済灯油ｋ１が改質部２５に導入される）。また、酸素の利用率が４５〜６０％程度、好ましくは５０％程度となる量の酸化剤ガスｔがカソード３２に供給されるように空気ブロワ２９の回転数や流量調整弁（不図示）が調節される。
【００３６】
燃料電池３０ではアノード３１に導入された改質ガスｇ中の水素と、カソード３２に導入された酸化剤ガスｔ中の酸素とによる電気化学的反応が行われる。電気化学的反応は、アノード３１側では以下の（１）式に示す反応が行われ、カソード３２側では以下の（２）式に示す反応が行われる。
２Ｈ２  →  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−  ・・・（１）
Ｏ２  ＋  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−  →  ２Ｈ２Ｏ  ・・・（２）
この電気化学的反応によって発電し、発熱すると共に水分が生成される。さらに説明を加えると、アノード３１側の電子が外部電気回路を通ってカソード３２側に移動する際に電力を得ることができる。アノード３１側の水素イオンは固体高分子膜を通過してカソード３２側に移動し、酸素と結合して水分が発生する。この電気化学的反応は発熱反応である。
【００３７】
燃料電池３０によって得られる電力は直流電力であるため、パワーコンディショナ（不図示）で交流電力に変換されて外部電力負荷（不図示）に、及び内部電力負荷（電気ヒータ１３、脱硫用ポンプ１７、供給ポンプ１８、燃焼用ポンプ１９、改質用水ポンプ２７、空気ブロワ２９、各弁６１〜６５等を含む補機類）に送電される。燃料電池３０で発電される電力は、外部電力負荷及び内部電力負荷の消費電力の合計に対して所定の値（例えば合計消費電力の９０％）となるように、パワーコンディショナ（不図示）で設定される。この設定値に対して適切な供給量となるように、制御装置８２により燃料電池３０に供給される改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔの量が調節される。このときパワーコンディショナ（不図示）では燃料電池３０と商用電源９９とを連系するようにインバータが制御されており、不足分の電力は、商用電源９９から交流電力の供給を受ける。
【００３８】
燃料電池３０の作動中、アノード３１からはアノードオフガスｐが排出される。排出されたアノードオフガスｐは、アノードオフガス管５２を介して改質装置２０の燃焼部２３に導かれて燃焼される。燃焼部２３におけるアノードオフガスｐの燃焼により、改質部２５における改質に用いる改質熱を発生させることができる。燃焼部２３へ導入されるアノードオフガスｐの燃焼だけでは発生する改質熱が不足する場合は、燃焼用ポンプ１９を起動して灯油ｋを燃焼部２３に導入する。燃焼部２３における燃焼によって生じた排ガスｅは、排ガス管５９を介して系外に排出される。他方、カソード３２からはカソードオフガスｑが排出され、カソードオフガス管５５を介して系外に排出される。
【００３９】
上述のように、燃料電池３０における電気化学的反応は発熱反応であるため、燃料電池３０の運転を継続するために発生した熱を冷却水ｃで除去する。燃料電池３０に改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔが導入されて発電が行われるようになると、制御装置８２は、冷却水ポンプ（不図示）を起動して冷却水ｃを循環させる。冷却部３３に導入された冷却水ｃは、燃料電池３０における電気化学的反応で発生した熱によって温度が上昇する。燃料電池３０は冷却水ｃによって発熱が除去されて、運転に適した温度（約６０℃〜８０℃程度）に維持される。
【００４０】
燃料電池３０の発電を停止する際は、まず、空気ブロワ２９を停止すると共に酸化剤ガス遮断弁６４及びカソードオフガス遮断弁６５を閉じてカソード３２を密封する。次に、供給ポンプ１８及び改質用水ポンプ２７を停止すると共に改質ガス弁６１及びアノードオフガス弁６２を閉にする。このように、まずカソード３２を密封すると、カソード３２に密封された酸化剤ガスｔ中の酸素がアノード３１中の水素と電気化学的反応を起こし、反応により発生した電力は例えば供給ポンプ１８の動力として消費されると共に、カソード３２の酸素が消費される。カソード３２の酸素が消費されると燃料電池３０における発電がなくなるため、上記の停止処理を行う際に必要な供給ポンプ１８や改質用水ポンプ２７等の稼働に必要な電力は商用電源９９から供給を受ける。カソード３２に密封した酸化剤ガスｔ中の酸素を消費することにより、酸化剤ガスｔ中から酸素成分がなくなってカソード３２を不活性雰囲気にすることができると共に、残留酸素により燃料電池３０で発電された電力を消費するので停止中の燃料電池３０が残電圧により高電位にさらされることを回避することができる。停止中の燃料電池３０のカソード３２を不活性雰囲気にすることにより、残留酸素が固体高分子膜を透過してカソード３２からアノード３１に入り込むことを回避することができ、これにより燃料電池３０が酸化により損傷することを防ぐことができる。
【００４１】
以上の説明では、燃料電池３０が固体高分子形燃料電池であるとして説明したが、りん酸形燃料電池等の固体高分子形燃料電池以外の燃料電池であってもよい。しかしながら、固体高分子形燃料電池とすると、比較的低温で運転することができ、装置を小型化できるので、一般家庭等に設置するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態に係る脱硫システムを含む燃料電池システムの模式的系統図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る脱硫システムの作用を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００４３】
１    燃料電池システム
１０  脱硫システム
１１  脱硫器
１３  電気ヒータ
１５  脱硫済灯油タンク
２０  改質装置
３０  燃料電池
８１  制御装置
９９  商用電源
ｋ    灯油
ｋ１  脱硫済灯油
ｇ    改質ガス
ｔ    酸化剤ガス
【図１】
2010105842.tif 000003
【図２】
2010105842.tif 000004